专利名称：高速运行条件下的巴克豪森检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种在高速运行条件下的巴克豪森检测系统及方法，属于动态测试领 域。
背景技术：
目前，我国高速铁路的建设进入了一个快速发展的阶段，钢轨缺陷可能引发重大 安全事故，甚至造成灾难性的后果。低速运行下铁轨的损伤情况主要以擦伤、麻点、鱼鳞状 剥离为主，分布在表面，具有较大的概率在继续运行中被磨平，其损伤原因主要是表面挤压 损伤。车轮和钢轨的挤压势必造成钢轨内部产生应力，残余应力及隐形裂纹，最后残余应力 进一步产生裂纹。如果在用于高速铁路的轨道形成裂纹初始情况下及时发现，并经过打磨 改变轨道上的受力分布关系，能够降低裂纹产生的概率，延长使用寿命。因此对于铁路钢轨 的应力大小和表面应力分布情况进行在线的巡检，做到表面应力初期发现是非常重要的。巴克豪森噪声(MBN)检测技术是对铁磁性材料应力检测的有效方法，且比较成 熟。国内的学者通过建立MBN-应力关系曲线，对铁磁构件的残余应力测量做了大量的试验 和工程应用，取得了一定的成功。传统的检测系统都是通过加载交流激励产生巴克豪森信 号，激励频率比较低。而巴克豪森噪声是随机信号，对信号强度的计算是一种统计的方法， 统计的周期数越多精度越高。这就为实现高速在线检测应力大小和应力分布情况带来了困 难。激励频率低主要因为巴克豪森噪声信号产生在剧烈磁化区，即产生过程需要一定 时间。为了解决速度的问题，就需要快速产生巴克豪森噪声信号。在无外界因素的作用下， 铁磁性材料内部最初磁畴方向是杂乱无章的，如果先用外加稳定正磁场磁化铁磁性材料表 面，使磁畴方向与磁化方向一致，接着用外加稳定负磁场磁化铁磁性材料表面，在外加磁场 足够大的情况下，磁畴会迅速发生180°偏转。合理选择磁轭的尺寸，两磁轭的间距，磁敏传 感器的位置和直流电压的大小可以实现快速、在线检测钢轨表面应力和应力分布情况。目前，巴克豪森噪声检测均属于静态检测，如芬兰的Stresstech公司研制的 SCan500C和德国弗劳恩霍夫无损检测研究所研制的微结构及应力分析仪(3MA-II)，它们 均采用交流电压激励，激励频率均比较低，只能在线静态检测，解决不了铁路钢轨的应力大 小和表面应力分布情况动态检测的问题。基于以上缺陷和不足，本发明提出了一种在高速 运行条件下的巴克豪森噪声检测系统，应用于高速在线检测钢轨应力。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种高速运行条件下的巴克豪森检 测系统及方法。与传统巴克豪森噪声检测系统相区别，本发明提出采用直流激励对钢轨 表面应力和应力分布进行非接触式无损检测，该系统不仅具有传统巴克豪森检测系统的优 势，而且能应用于高速在线检测钢轨应力。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明高速运行条件下的巴克豪森检测系统，包括直流电源、两个激励线圈、磁敏 传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机处理器，其中沿铁磁性工件运行的方向上前 后放置两个励磁磁轭，两个激励线圈分别绕在两个励磁磁轭上，直流电源的输出端连接激 励线圈，置于励磁磁轭中间和铁磁性工件上的磁敏传感器的输出端连接信号调理电路的输 入端，信号调理电路的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接计算机 处理器的输入端。所述磁敏传感器为平面一维分布的磁敏元件阵列，单个磁敏元件为巨磁阻型传感所述信号调理电路由多路信号放大电路组成，即由单路信号放大电路并行排列组 成。高速运行条件下的巴克豪森检测系统的检测方法，包括如下步骤a.直流电源产生正负直流电压分别对绕在两个励磁磁轭的激励线圈进行激励，两 个励磁磁轭的激励线圈的电流方向相反，使得两个励磁磁轭产生的励磁方向相反；b.在一个磁轭两臂间放置磁敏传感器，当铁磁性工件以一定速度移动时，传感器 阵列中每个磁敏元件拾取的信号，各自表示的是所遍历的被测物体部分，在不同的磁化过 程中发出巴克豪森噪声；c.铁磁性工件存在应力时，磁畴会发生不可逆的重新取向，从而影响巴克豪森信 号强度，磁敏传感器检测巴克豪森信号强度的变化情况；d.磁敏传感器输出信号经信号调理电路处理后，由数据采集卡进行采集并传输到 计算机处理器；e.计算机处理器通过对磁敏传感器中各个磁敏元件的输出信号进行分析和对当 前检测系统移动速度的计算，最终得到铁磁性材料的应力分布。本发明主要用于检测钢轨的表面应力和应力分布情况，该检测系统具有检测灵敏 度高，系统可靠性高，测试结果重复性好，检测设备简单，重量轻，检测速度快，适合现场作 业和动态检测。
图1是本发明的系统结构模块框图。图2是本发明的系统原理图。图3是巴克豪森噪声信号，图中A与B时刻分别对应通过A点与B点位置的时刻。
具体实施例方式如图1所示，一种在高速运行条件下的巴克豪森检测系统，其结构包括直流电源、 两个激励线圈、磁敏传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机处理器，其中沿铁磁性工 件运行的方向上前后放置两个励磁磁轭，两个激励线圈分别绕在两个励磁磁轭上，直流电 源的输出端连接激励线圈，置于励磁磁轭中间和铁磁性工件上的磁敏传感器的输出端连接 信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的 输出端连接计算机处理器的输入端。如图2所示，检测系统的原理表述为直流电源产生正负直流电压分别对绕在两个励磁磁轭的激励线圈进行激励，两个励磁磁轭的激励线圈的电流方向相反，使得两个励 磁磁轭产生的励磁方向相反。在一个磁轭两臂间放置磁敏传感器，当铁磁性材料以一定速 度移动时，传感器阵列中每个磁敏元件拾取的信号是所遍历的被测物体部分，各个磁敏元 件在某一时间点上拾取的是在不同的磁化过程中所发出的巴克豪森噪声信号。磁敏传感器 为平面一维分布的磁敏元件阵列，单个磁敏元件为巨磁阻型传感器。如图3所示是巴克豪森噪声信号，通过合理调整磁力线的分布和磁传感器的位 置，使得当被测物体的C点部分依次通过A点与B点时，被测物体C点部分正好处于磁畴翻 转并发生巴克豪森噪声的过程中，A点与B点位置上的磁传感器可以拾取对应时刻C点部 分所产生的巴克豪森噪声信号。本发明的具体实施方式
和基本工作原理是在沿被测物体运行的方向上，前后放 置2个励磁磁轭，且两个磁轭的激励线圈的电流方向相反，使得2个磁轭产生的励磁方向 相反。被测铁磁性材料在依次经过2个磁轭范围的时间内，经历了正反两个相反方向的磁 化。在一定的移动速度条件下，确保磁轭两部间的距离和励磁电流足够大，将可以确保被测 物体中的任意一点(如C点与D点)，都具有足够的时间先后在两个方向上都被完全磁化。 合理的调整磁力线的分布和磁传感器的位置，可以使得当被测物体的C点部分依次通过A 点与B点时，被测物体C点部分正好处于磁畴翻转并发生巴克豪森噪声的过程中(如图3 中所示的A与B两个时刻)，A点与B点位置上的磁传感器可以拾取对应时刻C点部分所产 生的巴克豪森噪声信号。在其他时刻上，A与B传感器所拾取的信号为被测物体别的部分 通过A或B位置时所产生的巴克豪森信号。如当D点依次通过A点与B点时，A点与B点 位置上的磁传感器可以拾取对应时刻D点部分所产生的巴克豪森噪声信号。所以传感器阵 列中每个单元拾取的信号(是随时间变化的曲线)，各自表示的是所遍历的被测物体部分， 在不同的磁化过程中(每个位置单元对应磁化过程的一个相同的瞬间)所发出的巴克豪森 噪声。如果被测物体不同部位所受的应力是不同的，如D点与C点的应力不同，那么在各自 通过A点和B点的时刻，传感器所拾取的巴克豪森信号也不同。每个磁敏元件的输出信号 经过信号调理电路进行放大，滤波和去噪后，用数据采集卡采集此信号，传送给计算机处理 器。数据采集卡是一个多通道采集卡，计算机处理器记录数据并以文件的形式存入，然后对 数据进行处理，最后以图形的显示被测试件的应力及残余应力的大小和应力分布情况(与 位置的对应关系)。
权利要求
一种高速运行条件下的巴克豪森检测系统，其特征在于包括直流电源、两个激励线圈、磁敏传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机处理器，其中沿铁磁性工件运行的方向上前后放置两个励磁磁轭，两个激励线圈分别绕在两个励磁磁轭上，直流电源的输出端连接激励线圈，置于励磁磁轭中间和铁磁性工件上的磁敏传感器的输出端连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接计算机处理器的输入端。
2.根据权利要求1所述的高速运行条件下的巴克豪森检测系统，其特征在于所述磁 敏传感器为平面一维分布的磁敏元件阵列，单个磁敏元件为巨磁阻型传感器。
3.根据权利要求1所述的高速运行条件下的巴克豪森检测系统，其特征在于所述信 号调理电路由多路信号放大电路组成，即由单路信号放大电路并行排列组成。
4.一种基于权利要求1所述的高速运行条件下的巴克豪森检测系统的检测方法，其特 征在于包括如下步骤a.直流电源产生正负直流电压分别对绕在两个励磁磁轭的激励线圈进行激励，两个励 磁磁轭的激励线圈的电流方向相反，使得两个励磁磁轭产生的励磁方向相反；b.在一个磁轭两臂间放置磁敏传感器，当铁磁性工件以一定速度移动时，传感器阵列 中每个磁敏元件拾取的信号，各自表示的是所遍历的被测物体部分，在不同的磁化过程中 发出巴克豪森噪声；c.铁磁性工件存在应力时，磁畴会发生不可逆的重新取向，从而影响巴克豪森信号强 度，磁敏传感器检测巴克豪森信号强度的变化情况；d.磁敏传感器输出信号经信号调理电路处理后，由数据采集卡进行采集并传输到计算 机处理器；e.计算机处理器通过对磁敏传感器中各个磁敏元件的输出信号进行分析和对当前检 测系统移动速度的计算，最终得到铁磁性材料的应力分布。
全文摘要
本发明公布了一种高速运行条件下的巴克豪森检测系统及方法，所述系统包括包括直流电源、两个激励线圈、磁敏传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机处理器。所述方法通过对两个U型磁轭的激励线圈施加正负直流电压，被测铁磁性材料在依次经过2个磁轭范围的时间内，经历了正反两个相反方向的磁化，从而产生大量的巴克豪森信号。本发明主要应用于动态检测铁磁性材料的表面残余应力的分布情况。本发明具有检测灵敏度较高，测试结果重复性和可靠性好，检测速度快，适合现场作业。
文档编号G01L1/12GK101887048SQ20101021130
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者丁松, 杨雅荣, 王平, 王海涛, 田贵云, 闫小明 申请人:南京航空航天大学
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